UA122316C2 - Спосіб автономного підтримання контрольованої температури та пристрій для його здійснення - Google Patents

Abstract

Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури, який складається з корпусу, теплообмінника, термоелектричних елементів, теплопровідних елементів. Активна система температурного коригування складається з щонайменше одного теплообмінника неопуклої форми у вигляді призми, агрегату створення повітряного потоку, термоелектричного елемента та теплопровідного з'єднувального елемента. Термоелектричний елемент розташовано між теплопровідним з'єднувальним елементом та теплообмінником на бічних гранях теплообмінника під кутом від 0 до 180 градусів до об'єкта, температура якого коригується. Агрегат створення повітряного потоку покриває більшу площу протилежної бічної грані теплообмінника. Теплопровідний з'єднувальний елемент системи активної системи температурного коригування виконано у формі, що дозволяє йому знаходиться в щільному контрольованому провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом та об'єктом, температура якого коригується. Живлення термоелектричного елемента здійснюється від автономного джерела живлення. Спосіб автономного підтримання контрольованої температури з використанням термоелектричних елементів та активної системи температурного коригування, що описана вище.

Description

Галузь техніки

Винахід належить до холодильної техніки, а саме до малогабаритних термоелектричних охолоджувачів/нагрівачів з застосуванням ефекту Пельтьє. Винахід може бути використано в харчовій промисловості, а також і в інших сферах, зокрема на транспорті, в підприємствах торгівлі та громадського харчування, для відпочинку на природі, а також в медичних і лабораторних цілях. Вузьке призначення заявленого винаходу - використання для охолодження рідин, зокрема напоїв в упаковці заданого типорозміру.

Рівень техніки

Відомий спосіб термоелектричного охолодження, заснований на застосуванні ефекту

Пельтьє, що полягає в тому, що при пропущенні струму через термоелемент його один спай нагрівається, а інший охолоджується (Коленко Е.А. Термоелектричні охолоджуючі прилади,

Москва, АН СРСР, 1967, - С. 7-11). Для отримання достатнього ступеня охолодження, наприклад, сільськогосподарського або харчового продукту термоелементи з'єднують в послідовний електричний ланцюг з утворенням термоелектричної батареї.

Однак при реалізації даного способу холодильний коефіцієнт, який визначається відношенням відведеного теплового потоку до споживаної електричної потужності, при збільшенні перепаду температур між гарячими і холодними спаями термобатареї має дуже мале значення, що робить цей спосіб неефективним.

Відомий спосіб охолодження об'єкта термоелектричної батареєю, в якому перенесення тепла від об'єкта і від каскаду до каскаду батареї здійснюється при подачі на клеми батареї регульованого струму до виходу батареї на стаціонарний режим роботи, відповідний заданій температурі охолодження об'єкта (патент Російської Федерації М 2034207, опубл. 30.04.95). В даному випадку використання зміни величини струму дозволяє підтримувати задану температуру об'єкта, наприклад харчового продукту.

Однак, оскільки регулювання величини струму, що подається на клеми термоелектричної батареї, здійснюється без урахування низки важливих параметрів, цей спосіб також є недостатньо ефективним.

Відомо спосіб регулювання температури об'єкта термоелектричної батареєю, що включає реєстрацію поточної величини температури навколишнього середовища і регулювання струму

Зо на клемах термоелектричної батареї (заявка РСТ УМО 97/22840, опубл. 26.06.97). В даному способі відбувається облік поточної величини температури навколишнього середовища, що дає можливість забезпечити максимальний холодильний коефіцієнт батареї, а також в мінімальні терміни вийти на заданий рівень температур, що особливо важливо, наприклад, в харчовій промисловості.

Але в зазначеному способі повністю відсутні дані стосовно вузлів для теплопереносу та/або теплообміну, які взаємодіють з термоелектричної батареєю і/або з середовищем, за допомогою якої дані вузли взаємодіють зі згаданою батареєю.

Відомо спосіб для регулювання температури об'єкта термоелектричної системою і пристрій для його здійснення (патент РФ 2139477), який реєструє температуру об'єкта та/або її відхилення від заданої, по величині якої і/або яких коригують величину струмів, що подаються на термоелектричну батарею і/або величину принаймні одного робочого параметра згаданого агрегату для теплопереносу та/або теплообміну. Проте, вказаний спосіб та пристрій не може працювати в автономному режимі, оскільки необхідність постійного контролю струму потребує великих втрат енергії.

В свою чергу, з рівня техніки також відомі переносні термоелектричні охолоджуючі пристрої, зокрема за патентами 05 5,970,719, 005 6,640,551 В1, 05 7,089,749 В1, 005 :2014/0130517 АТ, 005 2018/0020854 Аї. Вказані аналоги використовують автономні джерела живлення, є ергономічними, проте мають недоліки, зокрема відсутність вирішення питання щільного контакту для підвищення теплообміну, контролю температури, а конструктивні елементи не дозволяють досягти технічного результату, який ними заявлено. Наприклад в жодному з визначених аналогів не міститься даних щодо ряду суттєвих умов, втілених в заявленому винаході, які впливають на технічний результат, а отже не містять в собі відомості, які заперечують новизну і його винахідницький рівень заявленого винаходу, а саме: форма радіаторів; механізм притиску.

Також, однією з проблем пристроїв, відомих з рівня техніки є те, що у термоелектричних холодильних пристроях перенесення тепла від охолоджувальної внутрішньої сторони, наприклад, упаковки напою, до термоелектричного елемента і від термоелектричного елемента до зовнішньої сторони упаковки напою може грунтуватися виключно на теплопровідності такої 60 упаковки. Для цього використовуються матеріали и форма упаковки, яка знаходиться в провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом. Таке теплоз'єднання забезпечується за допомогою з'єднувального елементу між упаковкою та термоелектричним елементом. В такому з'єднувальному елементі, що опосередковує перенесення тепла від твердих тіл до термоелектричного елемента є великий сенс. Наприклад, якщо є дефект в контакті, то це може призводити до падіння температури на прикордонній поверхні і тим самим до неефективного створення холоду або тепла. Нерухоме з'єднання між термоелектричним елементом і твердим тілом за допомогою з'єднувального елементу є пріоритетним питанням, рішення якого відсутнє у більшості аналогів, відомих з рівня техніки.

Враховуючи вказане, найближчим аналогом Заявником визначено термоелектричний охолоджувану або нагрівальну посудину, зокрема холодильний та/або морозильний пристрій (патент РФ 2691880), що містить щонайменше один охолоджувальний або нагрівальний внутрішній простір і щонайменше один термоелектричний елемент, зокрема щонайменше один елемент Пельтьє, для створення холоду або тепла у внутрішньому просторі, причому термоелектричний елемент розташований між двома теплопровідними твердими тілами, з яких один або обидва з збільшенням відстані до термоелектричного елемента мають поступово збільшувану площу поперечного перерізу, що відрізняється тим, що посудина має як теплоізоляцію внутрішнього простору вакуумну ізоляцію, яка повністю або частково оточує охолоджувальний внутрішній простір, при цьому передбачено, що термоелектричний елемент і обидва твердих тіла розташовані в ізоляційному шарі.

Проте вказаний аналог має ряд суттєвих недоліків, зокрема в аналогу не розкрито природу джерело живлення термоелектричного елементу, а вакуумна теплоізоляція внутрішнього простору має низькі експлуатаційні характеристики й нестійку форму, що може призвести до її пошкодження та виходу з ладу пристрою в цілому. Крім того, вказаний пристрій не містить в собі систем активного охолодження, а з'єднувальний елемент для передачі тепла не стосується активного теплообміну між об'єктом охолодження та системою охолодження, що призводить до критичної втрати ККД всієї охолоджувальної системи й неможливості досягнення компактних розмірів пристрою та ефективного контролю температури з одночасним контролем енергії, що витрачається на охолодження.

Суть винаходу

Основними задачами заявленого винаходу є збільшення інтенсивності охолодження рідини і відповідно зниження часу її охолодження, а так само застосування внутрішнього джерела електроживлення (акумуляторної батареї) з метою автономного використання.

Технічний результат, який досягається за допомогою заявленого винаходу, полягає в підвищенні ефективності способу охолодження рідин відносно відомих з рівня техніки аналогів, створення пристрою для реалізації вказаного способу і підвищенні якісних та кількісних характеристик відомих термоелектричних систем з використанням елементів Пельтьє.

Для вирішення поставленої задачі заявляється спосіб автономного підтримання контрольованої температури з використанням термоелектричних елементів та активної системи температурного коригування, згідно з винаходом активна система температурного коригування складається з щонайменше одного теплообмінника неопуклої форми у вигляді призми, агрегату створення повітряного потоку, термоелектричного елементу та теплопровідного з'єднувального елемента, де термоелектричний елемент розташовано між теплопровідним з'єднувальним елементом та теплообмінником на бічних гранях теплообмінника під кутом від 0 до 180 градусів до об'єкта, температура якого коригується, а агрегат створення повітряного потоку покриває більшу площу протилежної бічної грані теплообмінника, при цьому повітряний потік від агрегату створення повітряного потоку проходить між ребер теплообмінника під кутом, що не викликає завихрень повітря, до бічних граней теплообмінника, де розташовані теплоелектричний елемент, відбивається від них та огортає об'єкт, температура якого коригується, а теплопровідний з'єднувальний елемент системи активної системи температурного коригування знаходиться в щільному контрольованому провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом та об'єктом, температура якого коригується, а живлення термоелектричного елемента здійснюється від автономного джерела живлення.

Також заявлено пристрій для здійснення вказаного способу, який складається з корпусу, теплообмінника, термоелектричних елементів, теплопровідних елементів, який відрізняється тим, що активна система температурного коригування складається з щонайменше одного теплообмінника неопуклої форми у вигляді призми, агрегату створення повітряного потоку, термоєелектричного елементу та теплопровідного з'єднувального елемента, де термоелектричний елемент розташовано між теплопровідним з'єднувальним елементом та теплообмінником на бічних гранях теплообмінника під кутом від 0 до 180 градусів до об'єкта, 60 температура якого коригується, а агрегат створення повітряного потоку покриває більшу площу протилежної бічної грані теплообмінника, а теплопровідний з'єднувальний елемент системи активної системи температурного коригування виконано у формі, що дозволяє йому знаходиться в щільному контрольованому провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом та об'єктом, температура якого коригується, а живлення термоелектричного елемента здійснюється від автономного джерела живлення.

При цьому ступінь щільності прилягання між теплопровідним з'єднувальним елементом системи активної системи температурного коригування і об'єктом, температура якого коригується, може контролюватися притискним механізмом, що складається з притискної п'яти і пружини, де притискна п'ята має механізм керованого переміщення.

При цьому поверхні теплопровідного з'єднувального елемента поліруються і покриваються захисним складом підвищеної механічної міцності.

Також притискний механізм може містити температурні датчики.

Також температурні датчики можуть бути розташовані окремо в інших частинах пристрою, зокрема в корпусі.

Додатково слід зазначити, що елементи активної системи температурного коригування можуть застосовуватися в різній кількості відносно один одного.

Додатково слід зазначити, що розташування термоелектричних елементів здійснюється під кутом з двох сторін об'єкта, температура якого коригується, що підвищує ефективність охолодження за рахунок збільшення загальної площі охолоджувальної поверхні.

При цьому як притискний механізм може використовуватися магнітні з'єднання.

Також, додатково живлення термоелектричного елемента здійснюється через контролер з алгоритмом термостабілізування.

Додатково система активного температурного коригування може працювати в режимі реверсного функціонування, а саме в режимі охолодження/нагрівання.

Креслення

Фіг. 1 ілюструє вигляд зверху у розрізі умовного пристрою.

Фіг. 2 ілюструє вигляд умовного пристрою в ізометричній проекції.

Детальний опис винаходу

Варіант здійснення способу на прикладі охолодження банки напою наведено на Фіг. 1.

Зо Спосіб автономного підтримання контрольованої температури здійснюється наступним чином:

Термоелектричні елементи (4) розміщені на площинах теплообмінника (2), що розташовані під кутом від 0 до 180 градусів до банки напою. Теплообмінник (2) може бути один нестандартної форми у вигляді неопуклою призми чи у вигляді двох і більше стандартних правильних призм. Іншими словами, заявлений спосіб дозволяє застосувати декілька теплообмінників (радіаторів) зі скошеними торцями, які продуваються одним чи декількома вентилятором (1), що у своєму поєднанні створює класичну модель кулера.

При цьому охолоджуючий потік повітря проходить найбільш ефективним для охолодження чином, а саме повітря входить під кутом до грані теплообмінника (3), забирає тепло від термоелектричного елемента, відбивається від грані радіатора, не викликаючи завихрень та огортає банку з напоєм.

З метою зниження теплового опору між теплопровідним з'єднувальним елементом (5) і ємністю з напоєм (б) застосований притискної механізм, що складається з притискної п'яти (12) і пружини (7). Для вилучення і установки ємності (6) з напоєм використовується контрольоване переміщення (13) притискної п'яти (12).

Теплообмін у зазначеному способі забезпечується живлення термоелектричних елементів (4), а саме елементів Пельтьє, від акумуляторної батареї (8) через контролер (9). Це стало можливим завдяки високій ефективності запропонованого способу охолодження, а саме розміщення елементів Пельтьє (4) між гранями теплообмінника (3) та теплопровідним з'єднувальним елементом (5), а також щільності прилягання теплопровідного з'єднувального елемента (5) до банки (6) з напоєм та термоелектричного елемента Пельтьє (4).

При цьому, точна температура підтримується контролером (9) за допомогою алгоритму термостабілізування. Дані про температуру напою контролер отримує від датчика температури, вбудованого в притискну п'яту такого датчика (11) температури.

Варіант виконання пристрою для автономного підтримання контрольованої температури наведено на Фіг. 2.

Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури складається з корпусу (14) з відкидною кришкою (15).

Охолоджувана ємність (б) вкладається в корпус (14) охолоджувача і за допомогою відкидний кришки (15), притискної п'яти (12) і пружних елементів (7) щільно притискається до поверхні з'єднувального елемента (5).

Система активного температурного коригування складається з теплопровідного з'єднувального елемента (5), двох елементів (4) Пельтьє, двох теплообмінників (2) і вентилятора (1) і щільно зафіксовано всередині корпусу конструкційними елементами.

Елементи (4) Пельтьє фіксуються між плоскою поверхнею теплопровідного з'єднувального елемента (5) і бічними гранями теплообмінників (2) за допомогою термопровідного матеріалу, наприклад пасти. Теплообмінники (2), елементи (4) Пельтьє та з'єднувальний елемент (5) за допомогою елементів корпусу (14) щільно прилягають один до одного, що дозволяє рівномірно без повітряних проміжків розподілити тонким шаром термопровідний матеріал. Застосування такої конструкції дозволяє звести до мінімуму значення величини термоопору на переходах теплообмінник - елементи Пельтьє та елементи Пельтьє - з'єднувальний теплопровідний елемент - упаковка напою.

Вентилятор (1) кріпиться без зазору до плоским кінців ребер обох теплообмінників. Корпус вентилятора, ребра теплообмінників та основи теплообмінників утворюють тунель. Повітря, що втягується вентилятором, проходить уздовж ребер обох теплообмінників, знижуючи їх температуру. Бічні грані теплообмінників розташовані під кутом до потоку повітря, що формується вентилятором, і дозволяє знизити турбулентність потоку, а також збільшити тепловіддачу.

Електронна система підтримки температури охолоджуваного напою в пристрої та автономні джерела живлення (акумулятори) розташовуються в ємкості корпусу і не зображені на рисунку.

Значення поточної температури охолоджуваного напою вимірюється за допомогою термодатчика (11), встановленого на внутрішній поверхні притискної п'яти.

Слід зазначити, що слова "містить, включає, складається" не виключає наявності інших елементів або кроків, крім перерахованих, а також не виключається наявність безлічі сукупності таких елементів.

Вищенаведений варіант реалізації винаходу наведено лише для прикладу і не обмежує об'єм правової охорони. Фахівцям очевидні інші рішення, варіанти застосування, цілі та функції,

Зо що входять в обсяг правової охорони заявленого винаходу.

Claims (12)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб автономного підтримання контрольованої температури з використанням З5 термоелектричних елементів та активної системи температурного коригування, який відрізняється тим, що активна система температурного коригування складається з щонайменше одного теплообмінника неопуклої форми у вигляді призми, агрегату створення повітряного потоку, термоелектричного елемента та теплопровідного з'єднувального елемента, де термоелектричний елемент розташовано між теплопровідним з'єднувальним елементом та теплообмінником на бічних гранях теплообмінника під кутом від 0 до 180 градусів до об'єкта, температура якого коригується, а агрегат створення повітряного потоку покриває більшу площу протилежної бічної грані теплообмінника, при цьому повітряний потік від агрегату створення повітряного потоку проходить між ребер теплообмінника під кутом, що не викликає завихрень повітря, до бічних граней теплообмінника, де розташовані теплоелектричний елемент, відбивається від них та огортає об'єкт, температура якого коригується, а теплопровідний з'єднувальний елемент системи активної системи температурного коригування знаходиться в щільному контрольованому провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом та об'єктом, температура якого коригується, а живлення термоелектричного елемента здійснюється від автономного джерела живлення.

2. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури, який складається з корпусу, теплообмінника, термоелектричних елементів, теплопровідних елементів, який відрізняється тим, що активна система температурного коригування складається з щонайменше одного теплообмінника неопуклої форми у вигляді призми, агрегату створення повітряного потоку, термоелектричного елемента та теплопровідного з'єднувального елемента, де термоелектричний елемент розташовано між теплопровідним з'єднувальним елементом та теплообмінником на бічних гранях теплообмінника під кутом від 0 до 180 градусів до об'єкта, температура якого коригується, а агрегат створення повітряного потоку покриває більшу площу протилежної бічної грані теплообмінника, а теплопровідний з'єднувальний елемент системи активної системи температурного коригування виконано у формі, що дозволяє йому бо знаходиться в щільному контрольованому провідному теплоз'єднанні з термоелектричним елементом та об'єктом, температура якого коригується, а живлення термоелектричного елемента здійснюється від автономного джерела живлення.

З. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що ступінь щільності прилягання між теплопровідним з'єднувальним елементом системи активної системи температурного коригування і об'єктом, температура якого коригується, контролюється притискним механізмом, що складається з притискної п'яти і пружини.

4. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2 або п. 3, який відрізняється тим, що притискна п'ята має механізм керованого переміщення.

5. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що поверхні теплопровідного з'єднувального елемента поліруються і покриваються захисним складом підвищеної механічної міцності.

6. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. З або п. 4, який відрізняється тим, що притискний механізм містить температурні датчики.

7. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 6, який відрізняється тим, що температурні датчики розташовані окремо в інших частинах пристрою, зокрема в корпусі.

8. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що елементи активної системи температурного коригування застосовуються в різній кількості відносно один до одного.

9. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що розташування термоелектричних елементів здійснюється під кутом з двох сторін об'єкта.

10. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що як притискний механізм використовуються магнітні з'єднання.

11. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який відрізняється тим, що живлення термоелектричного елемента здійснюється через контролер з алгоритмом термостабілізування.

12. Пристрій для автономного підтримання контрольованої температури за п. 2, який Зо відрізняється тим, що система активного температурного коригування працює в режимі реверсного функціонування, а саме в режимі охолодження/нагрівання. я щі о С я НН Оу оч і на ШИ ее ех о рн й й чФ в г іх Ве З ЇХ. за жду, З КУ ; З ! Її ; г і У Ко ж х КУ еК М З нини Сх х Х ши Кк МВ додаю хи ж ЖК у Фіг:

З о В іе м В ї у - У Ще я В й че щі ие Ше Н Ей я й М Мая Ві В А ТА ха я кн жи р о а Би ще их нини и с у я шк х й х вк Н і ее лах роту ки Ше БВ оон в ше ин а спе в : ї -- : - кі уст -- іа беж, ' в ну р зх Я Ї Б. пижоні К і Н м г; пише я НН Н : ж ва я ма пови а Не я до? ОБ БМ виш о І ване І ни о и Ше М НЕ ше он МНН Я Я шт : Н оз ве Ух ек шу Ме Е ще Я Ж : : М Вол ПІІ не М. шої : : шана ин НН : : В НЕ і 3 : вся Я пе Пе ша З Роде : сок ним НН: МЕ и і ще шо нини зна и : щ х тм їй ох я я : Шк ан ше п. роя ання хм с кт ше п, : нз Осн ки к- й де м о ни є шт я і І в як о у Є Коси ша 2 дня дея Шо к я пн ев ШИ ІЗ в б ей а ЕЯ Шан ше . ре Я чо І в й М дення шех судо нн Ко Я т У ж; 1

Фіг. 2